Книга: Общая технология

Распознанный текст из изображения:

Температуру, при которой давление насыщенного пара

вещества примерно равно 1 Па, назывпот телперащюй иаи-

Распознанный текст из изображения:

рения. При нанесении пленок вещество должно испаряться в молекулярном режиме, так как при зтом создается молекулярный пучок, частицы которого перемещаются От испарите ля к подложке прямолинейно, без столкновений и рассеяния. Эти условия достигаются при давлении остаточных газов р < < 1О ~ Па, а насыщенного пара р < 10~ Па, т,е. Нрн иевьтаокой скОРОсти испаРенил ~3п.

При р, ) 1О~ Па скорость испарения и„достаточно велика и над поверхностью подложек образуется слой пара, затрудняющий испарение. При р > 1О а также создаются условия для не- молекулярного режим~ испарения, так как длина с~об~диого пробега частиц Х меньше расстояния между подложкой и испарителем. Согласно кинетической теории газа,

К=КТ~.п ~~ре",

где Й вЂ” постоянная Бальцмана; Ь вЂ” эффективный диаметр молекулы газа.

Как следует из табл. 2, для выполнения условия Х > д и создания прямолинейной траектории движения частиц необходимо давление не выше 1О а Па, так как обычно расстояние д -"' 15 + 2О мм.

Т а б л и ц а 2. Завиеимесп дпииы евебедиеге пробега

чаотии ет давлении еататечных газов

10 10"1 102 10З 104

р, Па

10 7 10 7 10 7 7 10

Кроме того, форма молекулярного пучка должна быть такой, чтобы обеспечивалась максимальная направленность движения частиц испаряемого вещества к подложке. Для осаждения равномерной по толщине пленки плотность падающего пучка должна быль одинаковой по всей поверхности подложки.

Конденсация паров зависит от температуры подложки и плотности молекулярного пучка. Приближаясь к подложке, частицы вещества попадают в поле сил притяжения ее поверхностных атомов и молекул. Вместе с тем на очень близком расстоянии на частицы вещества действуют также силы отталкивания, Атомы (молекулы) испаряемого вещества, достигшие подложки, могут мгновенно Отразиться от нее (упругое столкновение) 1 адсорбироваться и через некотОрОе время внОвь отразиться (реиспариться), а также адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности остаться на ней, т.е. происходит конденсация. Бели знергия связи частиц

Распознанный текст из изображения:

вещества с атомами подложки больше средней энергии атомот~» '' подложки„они конденсируются, а в ином случае отражаются:,:,:,

от нее.

Температура подложки, выше которой все частицы вещест- -' ва отражаются от ее поверхности и пленка при этом не образует-::; ся, называемая критической температурой, зависит от физико-::::

химических свойств материалов осаждаемой пленки и подлож-

ки, а также от состояния поверхности подложки.

Наименьшую плотность, прн которой частицы осаждаемого: вещества конденсируются на подложке прн данной ее темпера-: туре, называют критической плотностью молекулярного потока. -, При нахождении молекулами осаждаемого вещества мест, соот-:: ветствующих минимуму свободной энергии системы молекула- '

подложка, образуются зародыши. Рост зародышей происходит

в результате присоединения новых молекул, мигрирующих по поверхности или попадающих на зародыш непосредственно из пространства между источником и подложкой.

Размер зародыша, при котором он обладает минимальной устойчивостью, называется критическим. Зародыш критического размера при удалении даже одной молекулы распадается и, наоборот, при добавлении ее становится более устойчивым. Прн росте и обьединении зародышей образуются островковые струк туры, а затем — сплошная пленка.

Конденсация вещества на подложке определяется коэффициентом конденсации (аккомодации) .

пк %/по б»

где по б — количество атомов или молекул, достигших поверхности в единицу времени; п~ — количество частиц, закрепившихся на поверхности.

Электрофизические параметры тонких пленок, их надежность и качество зависят от таких основных технологических факторов, как давление остаточных газов р, температура подложек Т„и испарения Т и, кроме того, условий термообработки нанесенной пленки (температуры, времени, среды) .

Распознанный текст из изображения:

позволяет формировать р-н переходы с точностью до 0,02 мкм и совместимо с другими технологическими процессами.

Вместе с тем следует отметить такие недостатки ионного легирования, вызывающие некоторые ограничения иго применения, как отжиг полупроводниковых подложек при температурах в несколько сотен градусов, сложнОсть создания глубоко легированных областей, а также расфокусировку ионного пучка при обработке подложек больших диаметров, обусловленную значительным его отклонением от главной оси.

ф 12. НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС широко используются тонкие металлические и диэлектрические пленки.

М е т а л л и ч е с к и е и л е н к и применяют дпя изготовления тонкопленочных резисторов и конденсаторов, коммутационных элементов и контактных площадок, омичееких контактов и тл. В зависимости от назначения элементов ИМС используют как пленки из платины, золота, серебра, никеля, хрома, меди, алюминия, титана, молибдена, так и многослойные пленочные структуры.

Д и э л е к т р и ч е с к и е п л е н к и (ЯО, 31Оз, ОСО, А1аОз, ЯзХ» и тд.) используют для изготовления тонкопленочных конденсаторов, защиты тонкопленочных элементов, р-н переходов и поверхности полупроводниковых пластин, создания межслойной изоляции в многослойных коммутационных платах и др.

Наибольшее распространение получили следующие методы нанесения тонких пленок: термическим испарением материалов в вакууме (резистивным и высокочастотным нагревом, нагревом электронным лучом или лазером), ионным распылением ~катодным, ионно-плазменным или магнетронным) и ионнотермическим испарением.

Термическое испарение в вакууме по сравнению с другими методами обладает рядом преимуществ. Так, в высоком вакууме (10 з-10 7 Па) можно наносить особо чистые пленки, т.е. мало загрязненные молекулами остаточных газов (О~, Нз„ Хз, СОз и др.). Относительная простота метода, а также возможность автоматизации процесса позволяют осаждать пленки с воспроизводимыми параметрами. Кроме того, этот метод наиболее выгоден при изготовлении БИС и СВИС, размеры элементов которых должны быль очень точными.

Термическое испарение основано на создании направленного потока пара вещества и последующей его конденсации

57

Распознанный текст из изображения:

на поверхности подложек, темпета~- .,'. тура которых ниже температуры':.,-'. источника па~а. Рабочая камера ус-:.', тановки термического испарения:::,: (рис. 22) представляет собой пи- ' .л линдрический металлический нли '. стеклянный колпак 1, размещен- ':;. ный на опорной плите 8 и уплот-::,:.":~ пенный резиновой прокладкой 7; Внутри рабочей камеры располага- '::::'~:

.ю3

ются подложкодержатель 3 с под-,.::,-;:,.:,,'.-;;,:

~нагпгд ложками 4, их нагреватель 3 и исРпе. 22, Схема термического паритель 6. Между испарителем .: Р испарения в вакуума: н подложками имеется заслонка 5:"'Ф, 1 — кеппак, 2 — нагреватель позволя щая в нужный момен =:::.','4 педпОжек, 3 — педлОжкедер- 7е

прекращать подачу испаряемого Ве заслонка, 6 — пепарптель, 7- щесша. Рабочая камера откачиваетуплетплтепьпал преплаппа ся вакуумным насоаим до давле- 8 — Оп~Рвай плата Уетапов- ния ~О-3 ~о-е Па которое изме

ряется вакуумметром.

Процесс термического испарения состоит из трех основных этапов: испарения вещества; переноса его паров к поддожкам; конденсации на них и образовании пленочной структуры.

При нагревании до определенной температуры вещество испаряется, кинетическая энергия его частиц (атомов и молекул) возрастает, в результате чего увеличивается вероятность разрывов межатомных и межмолекулярных связей. Отрываясь от поверхности, частицы вещества распространяются в свободном пространстве, образуя пар. При этом возможны две схемы испарения: твердая фаза — жидкая фаза — парообразная фаза и твердая фаза — парообразная фаза. Вторую схему испарения называют возгонкой или суйанмацией. При этом частицы вещества испаряются с поверхности, создавая в замкнутом объеме К некоторое давление пара р. Одновременно происходит обратный процесс — конденсация. При К = сопа1, Т =сопа1 и р = сопй скорости испарения О„и конденсации пк Равны. Условия, при которых соблюдается равенство, называют равновесными (состояние насыщения), а образующийся при этом пар — насыщенныл. При этом скорость испарения

у = 0,058 5р ЯТ, где р — давление насыщенного пара; Т вЂ” температура испарения; М вЂ” молекулярная масса испаряемого вещества.

Температуру, при которой давление насыщенного пара вещества примерно равно 1 Па, называют гемнериурой нсна- 53

Распознанный текст из изображения:

реиия. Прн нанесении пленок вещество должно испаряться в молекулярном режиме, так как при зтом создается молекулярный пучок, частицы которого перемещаапся от испарите- ЛЯ к ЛОдлОжке прямолинейно, без стОлкнОВений и рассеяния. Эти условия достигаются при давлении остаточных газов р < < 1О ~ Па, а насыщенного паРа Рт < 10 Па, т.е. ИРИ навь1аокой

СКОРОСТИ ИСПаРЕНИЯ Ун.

При р, > 1О2 Па скорость испарения и„достаточно велика и над поверхностью подложек образуется слой пара, затрудняющтй испарение. При р > 1О а также создаются условия для не- молекулярного режима испарения, так как длина свободного пробега частиц Х меныпе расстояния между подложкой и испарителем. Согласно кинетической теории газа,

7~ = КТ~п ~~рЬ,

где Й вЂ” постоянная Больцмана; о — аффективный диаметр молекулы газа.

Как следует из табп. 2, дня выполнения условия Х > д и создания прямолинейной траектории движения частиц необхо- димО Дввленне не Выгпе 1О Па„так как ОбычнО расстОЯние д = 15 + 2О мм.

Т а б л и ц а 2. Зависимость данин свободного вробага

частиц от давлении остаточных газов

1,0 10 1 10 ~ 10-3 10 4

10 7 10 7.10 7 7 10

Кроме того, форма молекулярного пучка должна быть такой, чтобы обеспечивалась максимальная направленность движения частиц испаряемого вещества к подложке. Для осаждения равномернои по Толщ~н~ пл~нки пло~н~сть ~ада~щег~ ~учк~ должна быль одинаковой по всей поверхности подложки.

Конденсация паров зависит от температуры подложки и плотности молекулярного пучка. Приближаясь к подложке, частицы вещества попадают в поле сил притяжения ее поверхностных атомов и молекул. Вместе с тем на очень близком расстОянии на частицы Вещества действуют также силы Отталкивания. Атомы (молекулы) испаряемого вещества, достигшие подложки, могут мгновеннО Отразиться От нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время вновь отразиться (реиспариться), а также адсорбироваться и после кратковременного мигрирования но поверхности Остаться на ней, т.е. происходит конденсация. Если знергия связи частиц

59

Распознанный текст из изображения:

вещества с атомами подложки больше средней энергии атомов"",'-: подложки„они конденсируются, а в ином случае отражаются:,:--,',

от нее.

Температура подложки, выше которой все частицы вещест-:;:::::;;!

ва отражаются от ее поверхности и пленка при этом не образует- '.:.

ся, называемая критической температурой, зависит от физико»::,'

химических свойств материалов осаждаемой пленки и подлож- ';.„

ки, а также от состояния поверхности подложки.

Наименьшую плотность, при которой частицы осаждаемого

вещества конденсируются на подложке при данной ее темпера- '-';.,:.

туре, называют критической плотностью молекулярного потока,

При нахождении молекулами осаждаемого вещества мест, соот-,:"'.;

ветствующих минимуму свободной энергии системы молекула-

подложка, образуются зародыши. Рост зародышей происходит .-'

в результате присоединения новых молекул, мигрирующих по:-':,- поверхности или попадающих на зародьпп непосредственно из пространства между источником и подложкой.

Размер зародыша, при котором он обпадает минимальной

устойчивостью, называется критическим. Зародыш критического размера при удалении даже одной молекулы распадается и, наоборот, при добавлении ее становится более устойчивым. При росте и объединении зародышей образуются островковые структуры, а затем — сплошная пленка.

Конденсация вещества на подложке определяется коэффициентом конденсации ~аккомодации/ .

пк %~по б

где лоб — количество атомов или молекул, достигших поверхности в единицу времени; п~ — количество частиц, закрепившихся на поверхности.

Электрофизические параметры тонких пленок, их надежность и качество зависят от таких основных технологических факторов, как давление остаточных газов р, температура подложек Т„и испарения Т и, кроме того, условий термообработки нанесенной пленки (температуры, времени, среды) .

Как уже отмечалось, при большом давлении в рабочей ка; мере присутствуют остаточнь1е ~Оэ, Нэ, Х~, СОэ) и другие газы, которые не только уменьшают среднюю длину свободного пробега молекул, но насыщают пленку, химически взаимодействуют с ней, образуя соединения, изменяющие первоначальные свойства осаждаемого вещества.

Скоростью испарения и„, зависящей от температуры, определяется производительность процесса, возможность химического взаимодействия остаточных газов и испаряемого вещества, а также условия его кристаллизации на подложке.

бО

Распознанный текст из изображения:

Гак, при низких скоростях испарения в пролетном пространстве успевают произойти химические реакции н образуются оксиды, гидриды, нитриды и другие соединения, обладающие иными, чем осаждаемое вещество, свойствами и скоростями миграции по поверхности подножки. В результате этого изменяются условия кристаллизации, структура и электрические параметры осаждаемой пленки.

Температурой Т„подложки определяется взаимодействие ее материала с остаточными газами, а также интенсивность химического взаимодействия этих газов н материала пленки. При повышении температуры улучшается десорбция, уменьшается газонасыщение и создаются условия термодинамического равновесия. В результате этого формируются сплошные и бездефектные пленки, обладающие хорошей адгезией, имеющие ненапряженную структуру и оптимальные размеры зерен. Однако следует помнить, что значительное повышение температуры подложки увеличивает критический размер зародышей и может привести к сохранению островковой структуры, что, в свою очередь, вызывает неравномерность плен~~ по толщине и ухудшение ее электрофизических параметров. Это ~собери~ важно при изготовлении тонкопленочных резисторов (толщина пленки 0,35-0,6 мкм). Обычно температуру подложек выбирают в интервале от 30 до 400 'С.

Цель термической обработки осажденных пленок — снятие в них напряжений и предотвращение рекристаллизации, которая может происходить при повышенных температурах, возникающих прн прохождении тока через элементы. Правильный выбор температуры термообработки Тол, ее времени и давления остаточных газов р способствует стабилизации структурных, а сле-

Рис. 23 Резиетивные иепарители:

а, б — проволочные, а, г, д — ленточные, е — тигельный," 1 — нагреваталь, 2 — иепарнемое вещество, 3 — компенеаторы, 4 — крышка; 5 — тигель

61'

Распознанный текст из изображения:

довательно, и электрофизическнх параметров пленок. Так,:;. длЯ большинства УЕзистивных пленок Тоб = 300 + 450'С;:-; г = 1 + 4 ч, р = 10 + 10 " Па. ухудшение вакуума, т.е. увели-:::. чение давления, интенсифицирует процессы химического взаимо-.'„ действия испаряемого вещества с остаточными газами.

В зависимости от способа нагрева осаждаемого вещества: ':" различают резистнвные, электронно-лучевые и индукционный';. испцители.

Р е з и с т и в н ы е и с п а р и т е л и изготовляют из прово--:,::,:;, локи и лент тугоплавких металлов, а также из графита и дибо-'::::-.';:" рида титана Т1Ва.

Проволочные испарители (рис. 23, а, б) просты по конструк- ' ции, хорошо компенсируют тепловое расширение, но недолго:,:::::--:, вечны, не позволяют испарять сыпучие вещества и обьем их мал.,-'

Ленточные испарители для устранения тепловой деформации:"', имеют компенсаторы (рис. 23, в) и позволяют испарять боль--':,::;:::-:.: шее, чем проволочные, количество вещества. Материалы, склон-,- ные к разбрызгиванию и выбрасыванию крупных частиц, осаж- -::::. дают из испарителеиэ снабженньгх се~ ~тон крьтшкои (рис 232 ~)

Графитовые и из диборида титана испарители (рис. 23, д) .::: применяют при осаждении материалов, имеющих Т > 22ОО 'С.:-;,.'

В тигельных испарителях из теплостойкой керамики (А1а Оз,,;,.'' ВеО, ТЬО) устранен непосредственный контакт нагревателя;-;,- с испаряемым материалом и значительно увеличена загрузка (рис. 23, е).

Недостатки резистивных испарителей — загрязнение наноси- .:::':," мой пленки материалом нагревателя или тигля, малый срок службы, невозможность испарения тугоплавких металлов,

Э л е к т р о н н о-л у ч е в ы е и с п а р и т е л и (рис. 24, а) основаны на преобразовании кинетической энергии электронов в энергию нагрева при бомбардировке ими испаряемого материала. Эти испарители применяются при нанесении пленок ту-

Рис. 24. Электронно-лучевой ~а) и индукционный (б) испарители: 1 — катод, 2 — управлявший зтектрод, 3— анод, 4 — магнитная фокусирующая систе-.,' ма, 5 — электронный луч, 6 — испаряемый материал, 7 — индуктор

Распознанный текст из изображения:

гоплавких материалов, не загрязняют камеру материалом нагревателя и тигля и могут быть использованы более длительное время, чем резистивные. Однако при электронной бомбардировке некоторые материалы разлагаются на фракции с выделением газообразных веществ. Площадь сфокусированного электронного пучка 3 — 60 мм~, напряжение на аноде 6 — 10 кВ, скорость испарения — до 5 мг/с.

И н д у к ц и о н н ы е и с п а р и т е л и (рис. 24, б) основаны на разогреве материала высокочастотным магнитным полем, создаваемым индуктором. Основной недостаток этих испарителей — значительная зависимость скорости испарения вещества от его массы.

людное, ионио-плазменное и магнатронное распыление существенно отличаются от термического испарения. Так, при катодном распылении материалов, особенность которого состоит в том, что пленка формируется в газовом разряде, процесс происходит при давлении от 1 до 10~ Па и меньшей, чем 'при термическом испарении, скорости роста пленки.

Катодное распыление основано на том, что поток положительно заряженных ионов газа (например, аргона), получивших энергию от сотен электронвольт до единиц килозлектронвольт, направляют иа мишень, выполненную из распыляемого вещества. Ионной бомбардировкой из мишени выбиваются частицы вещества, которые оседают на подложке в виде тонкой пленки.

В зависимости от способов ионизации газа, т.е. создания плазмы и распыления мишени, ионные источники подразделяют на диодные, триодные и магнетронные.

В д и о д н ы х и с т о ч н и к а х поток электронов, необходимый доя ионизации рабочего газа, образуется в результате автоэлектронной эмиссии. В таких источниках бомбардируемая ионами газа мишень одновременно является катодом и поэтому называется катодом-мишенью. Осаждение вещества происходит на подложку, располагаемую на аноде. Если распыляемая ьаьшень металлическая, распыление ведется при постоянном токе, а если диэлектрическая, — при переменном. Во втором случае при отрицательной полярности мишень распыляется, а при положительной с нее снимается накопленный отрицательный заряд.

Диодные системы (ук. 25, а) наиболее просты и состоят из катода-мишени 1, анода 3 и подложки 2, размещенных в рабочей камере, в которой первоначально создается вакуум 10 з— 10 " Па; затем в камеру напускается инертный газ до давления 1,3 — 13 Па. При подаче на электроды напряжения 1-5 кВ электроны с катода-мишени устремляются в сторону анода, ионизируя инертный газ, в результате чего возникает нормаль-

63

Распознанный текст из изображения:

,ддшени выделяется большое количество теплоты. Поэтому такие системыы требуют охлаждения.

В м а г петро нных источу- г и и к а х ~рис. 26), выполненных на основе диодных систем, в разряд-

Н пом промежутке одновременно с У

5 электрическим деиствует магнитное ~! поле, что позволяет без увеличения концентрации электронов НОвысить 11зотность плазмы, Нз электроны, змиттнрованные автозмиссиоиным ка- Рис. 26. Схема магнстронтодом-мишенью 3 и движущиеся к ного Распыления:

1 — поток распылясмого кол цевому аноду 2 В нри Оженном 2

У междУ ними электРическом поле~ анод действует магнитное поле Н, направ- 4 — магнитная снстсма лепное перпендикулярно электрическому. При перекрещивании полей путь движения электронов удлиняется, что повышает вероятность их столкновения с молекулами рабочего газа. В результате при давлении 1О ' — 1О 2 Па создается высокая концентрации ионов газа, которые движутся к катоду-мишени, бомбардируя ее и распыляя с большой интенсивностью. Поток 1 распыляемого вещества устремляется к подлОжке и Осаждается на ней В Виде пленки.

Достоинствами магнетронных систем, используемых для распыления металлов, полупроводников и диэлектриков, явля-

низкое рабочее давление, позволяющее уменышпь количество газовых включений в осаждаемой пленке; высокая скорость нанесения пленки; надежность и стабильность параметров напылительной системы;

широкий диапазон толщин пленок при их высокой адгезии и Однородности.

И о н н о-т е р м и ч е с к о е и с п з р е н и е является комбинацией термическоГО испарения и иОннОГО распыления и выполняется следующими методамн:

резистивным или электронно-лучевым испарением вещества '-' последующей ионизацией его паров в плазме рабочего газа;

резистивным или электронно-лучевым испарением вещества ' последующей ионизацией его паров (например, с помощью высокочастотного индуктора);

высокочастотным термическим испарением вещества с одновременной высокочастотной ионизацией его паров.

.Во всех случаях движение ионов испаряемого вещества к 3 $4з б5

Распознанный текст из изображения:

подложке и осаждение на ней обусловлены действием алек

ческого поля, создаваемого между испарителем и подложК6

В зависимости.от требуемой кристаллической структуры и а

зии осаждаемых пленок потенциал подложки может быть 'от;:

до 1О4 В. Так, при низких температурах подложки, чтобы пол"

чить удовлетворительную адгезию пленки к ней, потенциал нео

ходимо увеличивать.

Достоинствами ионно-термического испарения являтот ' "

большая скорость процесса, свойственная термическо'

испарению, в сочетании с высокой энергией конденсирующих"'

частиц, характерной для ионного распыления;

однородность и равномерность осаждаемых пленок и

толщине;

возможность осаждения пленок сложного состава (ка

дов, нитридов, оксидов и др.) с большими скоростями без вьтс

котемпературного нагрева подложек.

лупро

стнны?

абот

водниковые м

лнческн

2. К

кн полупроводн

тернало

3.

й очистки пол

т?

н сухо полняю

ковых

4.

аэн

аченне в произво

проводи

5. Н

коф

азное наращив

спальных

б. К

дно кснд

7. К

8. К

фотолито

9. К

10.

гин н ка

ые покрытия в

в литографии?

ательности вып

тодо

едов

водн

иков вы знает

кв

микро злектронн

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какими методами ориентируют по

е слитки перед резкой нх на пла

акне методы механической обр

в вы знаете?

Каковы особенности жидкостной

пластин н какими методами ее вы

Что такое зпнтаксня н каково ее н

иковых приборов и ЙМС?

а чем основаны газофазное н жнд

слоев?

акимн методами формируют защн

а и ннтрнда кремния?

аковы особенности различных ме

акне операции и в какой посл

графин?

акне методы легировання полупро

Каково назначение тонких плено

кими методами нх наносят?

онокрист ',,

ИКОВЫХ ~.,

упроводщйт-,,

дстве полф~,'.;.",

ание зпнтан'-:,".

виде слою";-' ''

олняют при~;.

е?

ой техноло-.':.':::;::.=:..